基于PIV技術(shù)的沖刷條件下樁-土水平變形機(jī)制

(安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001)

1 研究背景

在橋梁、近海風(fēng)電和石油平臺(tái)等工程中，樁基礎(chǔ)除了要受上部結(jié)構(gòu)荷載作用，還要承受由風(fēng)、波浪、撞擊等造成的水平荷載。水域環(huán)境中的樁基礎(chǔ)還面臨水流沖刷的威脅，沖刷引起樁側(cè)土體侵蝕而逐步形成局部沖刷坑，不僅樁-土相互作用區(qū)域發(fā)生了三維改變，沖刷后剩余土體中的應(yīng)力分布狀態(tài)也發(fā)生了變化，顯著降低基礎(chǔ)的水平承載性能，因此，沖刷條件下樁基的水平承載特性已成為重要的研究方向[1]。

目前沖刷對(duì)樁基的影響研究多集中在最大沖刷深度預(yù)測(cè)[2]、沖刷機(jī)理[3]、沖刷后基礎(chǔ)周?chē)匦蔚难葑僛4]和沖刷效應(yīng)引起的樁基承載力退化等方面[4-7]，因樁基工程屬于隱蔽性工程，往往深埋地下幾十到上百米，深埋于巖土體內(nèi)部的樁-土水平變形特性難以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)足尺試驗(yàn)觀測(cè)[8]。學(xué)者們常采用粒子圖像測(cè)速(Particle Image Velocimetry，PIV)、數(shù)字圖像相關(guān)(Digital Image Correlation，DIC)和數(shù)字散斑相關(guān)(Digital Speckle Correlation Method，DSCM)等方法對(duì)模型試驗(yàn)中巖土體變形場(chǎng)的開(kāi)展量測(cè)，從可視化角度對(duì)結(jié)構(gòu)物和巖土體的相互作用機(jī)理進(jìn)行研究。龔健和劉君[9]基于PIV技術(shù)發(fā)現(xiàn)靜力超載作用下不同含石量對(duì)土石混合體邊坡中剪切帶的發(fā)展有重要影響。王鵬鵬等[10]結(jié)合DIC技術(shù)觀測(cè)了平面應(yīng)變?cè)囼?yàn)中土體剪切帶的形成與發(fā)展破壞過(guò)程。Li等[11]基于DSCM技術(shù)觀測(cè)了軟硬復(fù)合地層之間圓形截面隧道開(kāi)挖后，圍巖破壞區(qū)的演變發(fā)展過(guò)程。還有學(xué)者在透明土材料中采用圖像相關(guān)分析技術(shù)對(duì)細(xì)長(zhǎng)樁的屈曲[12]、圓形錨板上拔[13]和基礎(chǔ)沉降[14]等問(wèn)題開(kāi)展試驗(yàn)研究，觀測(cè)了結(jié)構(gòu)物變形后對(duì)周?chē)该魍廖灰剖噶繄?chǎng)的影響。

水平受荷樁的內(nèi)力和變形測(cè)量通常采用樁側(cè)布置電阻式應(yīng)變片、土壓力傳感器等方式測(cè)得，但不能獲得樁側(cè)土體變形場(chǎng)[15-16]。PIV等圖像相關(guān)技術(shù)彌補(bǔ)了這方面的不足。周健等[17]探討了砂土中水平受荷短樁的破壞模式。Hong等[18]基于離心模型試驗(yàn)對(duì)水平循環(huán)荷載作用下黏土中半剛性樁的破壞模式進(jìn)行了分析。Yuan等[19]基于透明土材料研發(fā)了樁側(cè)三維變形場(chǎng)觀測(cè)系統(tǒng)，對(duì)樁側(cè)三維位移場(chǎng)進(jìn)行了分析。Lu和Zhang[20]開(kāi)展了基于數(shù)字圖像相關(guān)分析技術(shù)的水平受荷樁離心模型試驗(yàn)，探討了砂土中豎向荷載對(duì)水平受荷樁承載變形特性的影響機(jī)制?？拙V強(qiáng)等[21]為研究樁身縱截面形狀對(duì)樁基水平承載變形特性的影響，在透明土中開(kāi)展了系列模型試驗(yàn)，獲得了樁基水平變形和樁側(cè)受擾動(dòng)土體位移場(chǎng)規(guī)律。

目前對(duì)局部沖刷條件下水平樁-土變形機(jī)制的研究鮮有報(bào)道，本文考慮樁身抗彎剛度、砂土相對(duì)密實(shí)度和沖刷坑尺寸三方面因素，基于PIV圖像分析技術(shù)，分別開(kāi)展了無(wú)沖刷和局部沖刷條件下的水平受荷樁模型試驗(yàn)，以揭示樁側(cè)土體位移和應(yīng)變分布發(fā)展規(guī)律，進(jìn)一步闡釋局部沖刷條件下的水平樁-土相互作用機(jī)制。

圖1 粒徑分布曲線Fig.1 Curve of grain sizedistribution

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)用土

試驗(yàn)用土為干細(xì)砂，粒徑分布曲線如圖1所示。

細(xì)砂平均粒徑d50=0.16 mm，相對(duì)密度Gs=2.64，最小干密度和最大干密度分別為1.33 g/cm3和1.65 g/cm3，最大孔隙比和最小孔隙比分別為0.98和0.60。根據(jù)期望的相對(duì)密實(shí)度Dr(松砂、中密砂和密砂的Dr分別為33%、60%和80%)，由式(1)獲得砂土干密度ρd，即

(1)

式中：ρw為水的密度；emax、emin分別為土的最大和最小孔隙比。

2.2 主要試驗(yàn)設(shè)備

(1)模型箱。內(nèi)部尺寸長(zhǎng)×寬×高=0.6 m×0.4 m×0.5 m。模型箱側(cè)壁有兩側(cè)為鋼板，另兩側(cè)為厚度10 mm的鋼化玻璃。在模型箱鋼板一側(cè)設(shè)有可沿高度和水平方向調(diào)節(jié)的定滑輪，以便樁基水平加載。

(2)模型樁。試驗(yàn)采用半圓柱模型樁，分別由直徑20 mm和50 mm的實(shí)心有機(jī)玻璃棒沿圓截面對(duì)稱(chēng)剖開(kāi)而成，樁身抗彎剛度EI分別為12.2 N·m2和475.5 N·m2。根據(jù)《港口工程樁基規(guī)范》(JTS 167-4—2012)[22]，可由樁的相對(duì)剛度特征值T判定樁身特性。當(dāng)樁的入土深度L≥4T時(shí)為彈性長(zhǎng)樁，當(dāng)L<2.5T時(shí)為剛性樁，其他則為中長(zhǎng)樁。T可由式(2)進(jìn)行計(jì)算，即

T=[EI/(mb0)]0.2。

(2)

式中m、b0分別為比例系數(shù)和樁的換算寬度，具體見(jiàn)文獻(xiàn)[22]附錄D。通過(guò)計(jì)算可知直徑20 mm模型樁在松砂和中密砂中的L/T分別為3.4和4.0，即在松砂中為中長(zhǎng)樁，在中密砂中為彈性長(zhǎng)樁。外徑50 mm的模型樁在松砂和中密砂中的L/T分別為1.6和1.9，即在松砂和中密砂中均為剛性樁。

樁前和樁后分別距模型箱側(cè)壁至少6D和3D(D為樁身外徑)，以消減邊界條件的影響。制作一可固定的輕質(zhì)鋁合金環(huán)安裝在樁頂，并設(shè)計(jì)一拉環(huán)與之相連以便水平加載。

(3)相機(jī)。試驗(yàn)需采集樁側(cè)土體變形高精度圖像為后續(xù)PIV分析所用，采用佳能(EOS400D)數(shù)碼相機(jī)，該單反相機(jī)可快速自動(dòng)對(duì)焦，像素可達(dá)1 000萬(wàn)。

2.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)共分四大組，其中T1、T2組分別表示A樁(直徑20 mm)、B樁(直徑50 mm)在無(wú)沖刷條件下松砂、中密砂和密砂土樣中的試驗(yàn)工況。TS1、TS2組分別為A樁、B樁在沖刷條件下的試驗(yàn)工況，試驗(yàn)用土為中密砂，均考慮了兩種沖刷尺寸。兩模型樁的埋入樁長(zhǎng)L均為300 mm，即埋置深度與樁徑的比值分別為15和6。加載點(diǎn)距沖刷前地表185 mm，具體見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)方案Table 1 Test scheme

根據(jù)已有文獻(xiàn)研究[5]，沖刷坑形狀設(shè)計(jì)成圓臺(tái)體(因采用半樁模型，沖刷坑同樣采用半個(gè))。圖2給出了樁側(cè)局部沖刷條件下模型樁布置實(shí)物圖。

圖2 沖刷條件下模型樁布置實(shí)物Fig.2 Arrangement of model pile under scour condition

2.4 試驗(yàn)過(guò)程

圖3 沖刷條件下水平受荷樁試驗(yàn)加載示意圖Fig.3 Schematic diagram of lateral loading of a singlepile under scour condition

水平加載時(shí)將定滑輪沿水平滑桿調(diào)節(jié)至鋼化玻璃一側(cè)，樁側(cè)局部沖刷條件下試驗(yàn)加載示意如圖3所示。試驗(yàn)主要步驟如下：

(1)半圓柱模型樁緊貼箱體透明側(cè)壁放置，且圓柱剖面粘貼光滑透明膠帶，以降低與鋼化玻璃側(cè)壁的摩擦。水平分層填筑砂土地基，每層層高5 cm，根據(jù)砂土干密度計(jì)算相應(yīng)需填入的土體質(zhì)量，平整壓實(shí)至指定位置。填砂過(guò)程中，由水準(zhǔn)泡和水平尺的輔助維持樁的豎直狀態(tài)。填砂完成后，根據(jù)沖刷坑尺寸挖去樁側(cè)部分土體，形成局部沖刷坑。

(2)在樁身加載點(diǎn)處安裝電子千分表。將相機(jī)置于模型箱側(cè)壁正前方2～3 m處，并保證每組試驗(yàn)中相機(jī)位置不變。

(3)加載等級(jí)由預(yù)加載試驗(yàn)估算，按等質(zhì)量逐級(jí)加載，每組試驗(yàn)加載10級(jí)左右。為獲得樁側(cè)較明顯的土體變形，加載點(diǎn)處樁身最大水平位移達(dá)20 mm左右。每級(jí)加載基本穩(wěn)定后(<0.02 mm/min)記錄加載點(diǎn)樁身水平位移，采集豎直剖面上樁-土變形圖像。為采集到高質(zhì)量試驗(yàn)圖像，需注意光照和相機(jī)的防震顫。

(4)當(dāng)樁身加載點(diǎn)水平位移達(dá)20 mm后停止加載。重復(fù)以上步驟，完成各組試驗(yàn)。

2.5 PIV圖像處理

對(duì)試驗(yàn)采集圖像利用White等[23]開(kāi)發(fā)的GeoPIV軟件進(jìn)行分析處理，可獲得樁側(cè)土體的位移場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)。該軟件由一系列MatLab子程序構(gòu)成，基于MatLab平臺(tái)通過(guò)交互窗口提示完成整個(gè)圖像分析過(guò)程，包括前處理、PIV分析和后處理,分述如下。

(1)前處理。將采集圖像集下載到MatLab工作空間，選擇圖片分析區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分并生成網(wǎng)格文件。修改啟動(dòng)文件(包括圖片存儲(chǔ)路徑、網(wǎng)格文件名稱(chēng)和圖像像素最大搜索半徑等)，完成圖像前處理。

(2)PIV分析。圖像轉(zhuǎn)換成灰度圖，根據(jù)數(shù)字圖像相關(guān)算法處理圖像，具體算法原理可參考文獻(xiàn)[24]。

(3)PIV后處理。主要包括圖像坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和應(yīng)變場(chǎng)計(jì)算。通過(guò)程序?qū)⒖刂泣c(diǎn)(需事先在模型箱側(cè)壁標(biāo)記4個(gè)控制點(diǎn))在圖像中的像素坐標(biāo)和實(shí)際坐標(biāo)一一對(duì)應(yīng)，完成像素坐標(biāo)系到實(shí)際坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。圖像中各點(diǎn)的應(yīng)變值通過(guò)位移值進(jìn)行差商和插值運(yùn)算獲得，并通過(guò)修改應(yīng)變場(chǎng)子程序，以樁徑D對(duì)坐標(biāo)軸實(shí)際距離進(jìn)行無(wú)量綱化處理。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

針對(duì)樁身加載點(diǎn)處水平位移約20 mm的情況，通過(guò)PIV分析給出樁側(cè)土體位移矢量圖、剪應(yīng)變等值線圖。試驗(yàn)成果圖中標(biāo)注了加載前的樁身軸線，加載方向水平向右。無(wú)沖刷條件下密砂和中密砂試驗(yàn)中樁側(cè)土體變形特征相似度較高，限于篇幅，因此略去。

3.1 A樁(D=20 mm)樁側(cè)無(wú)沖刷試驗(yàn)結(jié)果

圖4給出了無(wú)沖刷條件下樁身加載點(diǎn)處水平位移約20 mm時(shí)的樁側(cè)土體變形，其中圖4(a)和圖4(b)分別為松砂和中密砂工況的位移矢量，圖4(c)和圖4(d)為剪應(yīng)變等值線。

圖4 樁身外徑D=20 mm時(shí)無(wú)沖刷條件下樁-土變形場(chǎng)Fig.4 Deformation fields of pile-soil in the absenceof scour (D=20 mm)

對(duì)比松砂和中密砂中的位移矢量，可見(jiàn)樁前中上層土體處于被動(dòng)受壓狀態(tài)，樁后土體因樁身偏斜而產(chǎn)生松動(dòng)滑落現(xiàn)象，處于主動(dòng)狀態(tài)，且土體變形由近及遠(yuǎn)，由淺層向深層發(fā)展，主動(dòng)區(qū)和被動(dòng)區(qū)土體變形不均勻。相應(yīng)的樁側(cè)剪應(yīng)變場(chǎng)也能清晰地反映出基本一致的規(guī)律，這和現(xiàn)有樁基水平受荷分析的應(yīng)變楔法[25]樁前三維被動(dòng)土楔內(nèi)應(yīng)變均值的假定并不一致。

樁側(cè)土體變形也因土體相對(duì)密實(shí)度不同而有所差異：位移矢量、剪應(yīng)變等值線均顯示，在中上部土層范圍內(nèi)松砂中樁前被動(dòng)受壓區(qū)土體的位移以水平壓密變形為主，但中密砂中土體以斜向上的擠壓變形為主。在樁端附近土層，松砂中樁端產(chǎn)生了較明顯的變形，樁端右側(cè)土體因樁身水平變形而失去支撐，且向下滑落，樁端左側(cè)土體則處于被動(dòng)受壓狀態(tài)；中密砂土層中樁端附近則沒(méi)有明顯變形。

3.2 A樁(D=20 mm) 樁側(cè)局部沖刷試驗(yàn)結(jié)果

圖5顯示了中密砂中樁側(cè)存在局部沖刷時(shí)的PIV試驗(yàn)結(jié)果。雖然無(wú)沖刷情況時(shí)樁在中密砂中樁端沒(méi)有明顯變形，但樁側(cè)存在局部沖刷時(shí)，由于上覆土重減小，樁身實(shí)際埋入土體深度減小，位移矢量圖和剪應(yīng)變圖顯示，樁端土體產(chǎn)生了一定的變形，這一特征和無(wú)沖刷時(shí)松砂中試驗(yàn)結(jié)果相似。圖5(c)和圖5(d)為沖刷深度Sd分別取25 mm和50 mm時(shí)的樁側(cè)剪應(yīng)變場(chǎng)等值線圖，樁側(cè)土體應(yīng)變場(chǎng)仍具有由近及遠(yuǎn)、由淺層向深層逐漸發(fā)展的特征，但和無(wú)沖刷試驗(yàn)工況不同的是，沖刷坑斜坡上的部分土體受到樁身的擠壓，即沖刷坑底部以上的沖刷土層對(duì)限制樁身偏移仍可發(fā)揮一定的作用。另外從剪應(yīng)變場(chǎng)等值線圖中可注意到，無(wú)論樁側(cè)是否存在沖刷，或砂土密實(shí)度是否變化，樁側(cè)被動(dòng)受壓區(qū)土體剪應(yīng)變都不是均一的，而是沿著水平和深度方向逐漸發(fā)展。

圖5 樁身外徑D=20 mm時(shí)樁側(cè)局部沖刷條件下樁-土變形場(chǎng)Fig.5 Deformation fields of pile-soil under local scourcondition (D=20 mm)

3.3 B樁(D=50 mm)樁側(cè)無(wú)沖刷試驗(yàn)結(jié)果

圖6給出了模型樁B樁身加載點(diǎn)處水平位移約20 mm時(shí)的樁側(cè)土體變形場(chǎng)，其中圖6(a)和圖6(b)分別為松砂和中密砂工況的位移矢量圖，圖6(c)和圖6(d)分別為剪應(yīng)變場(chǎng)等值線圖。分析位移矢量圖可知，與A樁試驗(yàn)結(jié)果相似的是，松砂和中密砂中樁前中上層土體分別以水平壓密變形和斜向上的擠壓變形為主要特征，同時(shí)可觀察到土體變形仍具有由近及遠(yuǎn)，由淺層向深層非均勻發(fā)展的特點(diǎn)。相應(yīng)的剪應(yīng)變場(chǎng)等值線圖中樁側(cè)剪應(yīng)變場(chǎng)也能反映出基本一致的規(guī)律。

圖6 樁身外徑D=50 mm時(shí)無(wú)沖刷條件下樁-土變形場(chǎng)Fig.6 Deformation fields of pile-soil in the absenceof scour (D=50 mm)

與A樁試驗(yàn)結(jié)果差異較大之處在于：松砂和密砂中樁端附近有較明顯的旋轉(zhuǎn)中心，分別距離地表約0.80L和0.75L(L為樁身埋置深度)，表現(xiàn)出明顯的剛性短樁特征。而A樁在相同埋深下具有較大的長(zhǎng)徑比和較小的樁身抗彎剛度，在松砂和中密砂中則表現(xiàn)為半剛性樁和柔性長(zhǎng)樁的特征。

3.4 B樁(D=50 mm)樁側(cè)局部沖刷試驗(yàn)結(jié)果

圖7給出了中密砂中不同沖刷深度時(shí)的樁側(cè)土體變形場(chǎng)。樁側(cè)存在局部沖刷坑時(shí)，樁身實(shí)際埋入土體深度減小，加大了水平荷載作用的力臂，樁基表現(xiàn)得更趨近于剛性短樁特性。觀察相同沖刷條件下的A樁和B樁樁側(cè)中上層土體變形情況，樁前土體均受斜向上的擠壓，樁后土體均發(fā)生松動(dòng)滑落，但B樁靠近樁端附近具有較明顯的旋轉(zhuǎn)中心，沖刷深度Sd分別為25 mm和50 mm時(shí)對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)中心至地表的距離分別約為0.76L和0.77L，即樁身旋轉(zhuǎn)中心隨沖刷深度增大而略微下移。

圖7 樁身外徑D=50 mm時(shí)中密砂中不同沖刷深度時(shí)的樁-土變形場(chǎng)Fig.7 Deformation fields of pile-soil in medium-dense sand at different scour depths (D=50 mm)

A樁和B樁PIV試驗(yàn)成果表明無(wú)論樁側(cè)是否存在局部沖刷，土體密實(shí)度是否改變，水平荷載作用下樁身在達(dá)到靜力平衡時(shí)樁側(cè)被動(dòng)受壓區(qū)土體剪應(yīng)變都是沿著徑向和深度逐漸發(fā)展。因此對(duì)于現(xiàn)有流行的樁基水平受荷分析的應(yīng)變楔法[25]，可以對(duì)其應(yīng)變楔內(nèi)應(yīng)變發(fā)展模式進(jìn)行改進(jìn)，以期獲得更準(zhǔn)確的樁基內(nèi)力和變形計(jì)算結(jié)果。

4 試驗(yàn)結(jié)果討論

上節(jié)分析了水平荷載作用下兩類(lèi)模型樁在不同土體、不同沖刷坑尺寸條件下的樁側(cè)土體變形特征，基于該試驗(yàn)成果，本小節(jié)建議了無(wú)沖刷條件下柔性樁和剛性樁的水平樁-土相互作用模式，并討論了局部沖刷對(duì)水平樁-土相互作用的影響。對(duì)無(wú)黏性土中柔性樁基(圖8)，其主要的水平樁-土相互作用區(qū)域?yàn)闃秱?cè)中上部土層，本文試驗(yàn)結(jié)果(圖4)表明最大深度影響范圍距離地表8D～12D，樁前、樁后影響范圍分別距初始樁身豎向軸線6.0D和2.5D，即圖8中的Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)。Ⅰ區(qū)為樁前土體被動(dòng)受壓區(qū)，由于受樁身偏斜擠壓作用，靠近樁身的部分地表土體可能會(huì)部分隆起，且相同樁頂變形條件下土體越密實(shí)，隆起效果越明顯。Ⅱ區(qū)為樁后土體主動(dòng)受壓區(qū)，樁身較大水平位移時(shí)樁后土體隨樁身向前偏移而失去原有支撐，松動(dòng)滑落至樁后新產(chǎn)生的空隙區(qū)，并可能產(chǎn)生一定的地表塌陷。

圖8 水平荷載作用下柔性樁樁-土相互作用模式Fig.8 Pile-soil interaction mode of a flexible pilesubjected to lateral loads

一般情況下，樁身大部分的變形出現(xiàn)在第一零點(diǎn)以上的 Ⅰ 區(qū)和 Ⅱ 區(qū)，因此位于深度Z01和Z02(分別為樁身水平位移的第一和第二零點(diǎn))范圍內(nèi)的 Ⅲ 區(qū)和 Ⅳ 區(qū)樁-土相互作用可能相對(duì) Ⅰ 區(qū)和 Ⅱ 區(qū)要弱很多。

但值得注意的是Ⅲ區(qū)和Ⅰ區(qū)土體的被動(dòng)受壓特點(diǎn)并不是完全相同的，Ⅲ區(qū)更復(fù)雜，若將Ⅰ區(qū)看作是樁身繞第一零點(diǎn)偏移形成，則Ⅲ區(qū)的上、下半部分分別由樁段繞第一和第二零點(diǎn)形成。同樣主動(dòng)施壓的Ⅳ區(qū)和Ⅱ區(qū)也不完全相同，但這4個(gè)區(qū)域的樁-土相互作用基本上共同維持了系統(tǒng)的平衡。

圖9給出了無(wú)沖刷條件下剛性短樁在無(wú)黏性土中的水平變位模式。樁前中上部土層被動(dòng)受壓的Ⅰ區(qū)，樁后中上土層主動(dòng)施壓的Ⅱ區(qū)與上述柔性樁相似，但剛性短樁樁身位移一般呈線性，只有一個(gè)唯一的位移零點(diǎn)，亦為樁身的旋轉(zhuǎn)中心。因樁身偏斜旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)中心左下方的Ⅲ區(qū)土體被動(dòng)受壓，而右下方的Ⅳ區(qū)土體則處于主動(dòng)施壓的狀態(tài)。樁身大變位情況下，旋轉(zhuǎn)中心的右下方可能產(chǎn)生較大的臨空區(qū)(CNK范圍內(nèi))，此處土體更易主動(dòng)破壞。剛性樁旋轉(zhuǎn)中心下方的Ⅲ區(qū)和Ⅳ區(qū)樁-土相互作用相比柔性樁更顯著，樁基水平受荷分析時(shí)必須加以考慮。

圖9 水平荷載作用下剛性樁樁-土相互作用模式Fig.9 Pile-soil interaction mode of a rigid pilesubjected to lateral loads

圖10顯示了樁側(cè)局部沖刷對(duì)水平樁-土相互作用模式的影響，與無(wú)沖刷情況的主要區(qū)別在于樁-土相互作用的邊界明顯不同，樁側(cè)沖刷坑斜坡上的土體也會(huì)隨樁身的不斷偏移擠壓而逐漸發(fā)生隆起。樁后斜坡上土層隨樁身偏移量增大而進(jìn)一步失穩(wěn)，松動(dòng)滑落。樁側(cè)沖刷坑的存在，加大了水平樁-土系統(tǒng)邊界條件的復(fù)雜性。樁側(cè)局部沖刷后，引起樁基水平承載力降低的最直接原因是加大了原水平荷載作用的力臂，這樣對(duì)樁身的抗彎性能提出了更高要求。

圖10 局部沖刷對(duì)水平樁-土相互作用模式的影響Fig.10 Influence of local scour on interaction modeof pile-soil under lateral loads

5 結(jié) 論

(1)基于PIV分析的水平受荷樁模型試驗(yàn)表明樁-土相互作用區(qū)域內(nèi)土體位移和剪應(yīng)變都是沿著徑向和深度方向逐漸發(fā)展的，而現(xiàn)有流行的樁基水平受荷分析的應(yīng)變楔模型中，假定了樁前被動(dòng)楔內(nèi)土體應(yīng)變保持均布發(fā)展，這與試驗(yàn)結(jié)果相悖。本次試驗(yàn)為該方法的改進(jìn)提供了直觀的試驗(yàn)依據(jù)，建議對(duì)其應(yīng)變楔內(nèi)應(yīng)變發(fā)展模式進(jìn)行改進(jìn)。

(2)無(wú)沖刷條件下，樁頂較大水平變形時(shí)柔性樁試驗(yàn)表明最大深度影響范圍距離地表8D～12D，樁前、樁后影響范圍分別距初始樁身豎向軸線約6.0D和2.5D。剛性樁在松砂和密砂中樁端附近有較明顯的旋轉(zhuǎn)中心，分別距離地表約0.80L和0.75L。樁側(cè)局部沖刷后，水平荷載的力臂增大，樁基承載性會(huì)明顯降低，但沖刷坑斜坡上的土層對(duì)樁身變形仍能起到一定的約束作用。

(3)無(wú)黏性土中樁前土體被動(dòng)受壓區(qū)和樁后土體主動(dòng)施壓區(qū)對(duì)柔性樁和剛性樁都是最主要的樁-土相互作用區(qū)域，但由于剛性樁旋轉(zhuǎn)中心下方的樁-土相互作用比柔性樁更顯著，進(jìn)行樁基水平受荷分析時(shí)不可忽略。本次試驗(yàn)成果限于無(wú)黏性均質(zhì)砂土地基，而對(duì)黏聚力較大的土層及軟硬互層的非均質(zhì)地基中試驗(yàn)規(guī)律還需進(jìn)一步探討。